CC BY
62
УДК 625.814:630*31
АНАЛИЗ КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ ПОДХОДОВ К РАСЧЕТАМ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОДОРОГ ПЕРЕХОДНОГО
И НИЗШЕГО ТИПОВ
ANALYSIS OF CONCEPTUAL APPROACHES TO THE CALCULATION OF PAVEMENT FOR AUTOMOBILE FOREST ROADS TRANSITIONAL AND
LOWER TYPES
Меньшиков А.М., Малыгина А.Г. (САФУ, г. Архангельск, РФ) Menshikov A.M., Malygina A.G. (NArFU, Arkhangelsk, Russia)
Анализируются методы расчетов дорожных одежд переходного и низшего типов, возможность их применения для лесовозных автодорог
Analyzes the methods of calculation ofpavements transitional and lower types, their applicability for automobile forest roads
Ключевые слова: автомобильные лесовозные дороги, современные автотранспортные средства, дорожные одежды, методы расчетов
Keywords: automobile forest roads, modern vehicles, pavements, calculation methods
Автомобильные лесовозные дороги в сравнении с дорогами общего пользования имеют ряд конструктивных и эксплуатационных особенностей.
Лесовозные автодороги имеют ограниченный срок эксплуатации, поэтому в их проектные решения закладывают более низкий уровень надежности, чем для дорог общего пользования аналогичных технических категорий.
При строительстве лесовозных дорог используют преимущественно местные дорожно-строительные материалы. В частности, земляное полотно возводят из боковых резервов, гравийно-песчаную смесь доставляют из притрас-совых карьеров и укладывают в конструкцию дорожной одежды без какого-либо улучшения ее гранулометрического состава. Зернистые материалы, не укрепленные вяжущими веществами, имеют относительно малый модуль упругости и весьма низкий предел прочности на растяжение. Исследованиями ЦНИИМЭ доказано, что дорожные одежды из зернистых материалов работают в упругой стадии лишь в диапазоне нагрузок на колесо до 25 кН [1].
Для лесовозных дорог характерна односторонняя направленность грузопотоков с существенным различием воздействий автотранспортных средств (далее - АТС) на полосы движения в грузовом и порожнем направлениях. При этом характер движения АТС существенно отличается от характера движения на дорогах общего пользования. По лесовозным дорогам с низкой интенсивностью идут тяжеловесные лесовозные автопоезда, колеса которых движутся по полосе наката, т.е. по одному следу, тогда как на дорогах общего пользования транспортный поток включает большое число легких и малогабаритных автомобилей, "разбегающихся" по ширине проезжей части.
Дорожные одежды лесовозных автодорог подвержены воздействию подвижных нагрузок от АТС, приведенных к расчетным автомобилям группы А1, А2 или A3 - большей частью от автопоездов, имеющих в своем составе сближенные (менее 2 м) оси, а также сдвоенные колеса или одинарные колеса
с шинами низкого давления. Специализированные тяжеловесные АТС (лесовозы, сортиментовозы) отличаются от АТС общетранспортного назначения большими осевыми массами, различной развеской подрессоренных масс по осям, значительными параметрами пневматических колес, большим числом осей при сравнительно малых межосевых расстояниях, большими значениями коэффициентов приведения к расчетной нагрузке и др. Эти особенности предопределяют весьма неблагоприятный режим взаимодействия подвижного состава с конструкциями технологических лесовозных автодорог, имеющих в большинстве случаев дорожные одежды низшего или переходного типа.
Методы расчета дорожных одежд условно разделяют на три группы [2].
1. Эмпирические методы, по которым толщину дорожной одежды назначают исходя из опыта службы конструкций на дорогах разных категорий без теоретических обоснований, но с учетом особенностей грунтов земляного полотна, климатических и гидрологических условий.
Данная группа включает две подгруппы:
1) методы, основанные на дорожной классификации грунтов (метод группового индекса и т.п.);
2) методы, использующие результаты крупномасштабных испытаний дорожных одежд на опытных полигонах и наблюдений за эксплуатацией дорожных одежд в различных географических регионах (индекс эксплуатационной надежности ААСДО, методы Института асфальта, СаИгапБ, Бюро общественных дорог (США); метод Центральной лаборатории путей сообщения (Франция); ОДН 218.046-01, МОДН 2-2001 (Россия) и др.).
Эмпирические методы расчетов во многом несовершенны, т.к. они дают надежные результаты только в тех условиях, для которых были разработаны.
2. Полуэмпирические методы, в которых при анализе напряженно-деформированного состояния используют допущения, условные расчетные схемы и эмпирические зависимости между напряжениями и деформациями, с одной стороны, и параметрами внешней нагрузки - с другой стороны (метод СоюздорНИИ, метод расчета по предельным относительным удлинениям и др.)
Данные методы не рекомендуется применять в отношении дорог, у которых земляное полотно возведено из грунтов с низким коэффициентом фильтрации и находится в условиях избыточного увлажнения, либо дорожная одежда включает слой материала с низкой температурной устойчивостью.
3. Теоретические методы, основанные на строгих решениях теории упругости. В качестве расчетной схемы в них принята система из нескольких относительно тонких упругих слоев, подстилаемых упругим изотропным полупространством. В данный момент являются наиболее распространенными.
Теоретические методы обладают большей общностью, но содержат ряд эмпирических параметров, которые устанавливаются из опыта эксплуатации автомобильных дорог общего пользования и не учитывают специфику дорожных одежд лесовозных автодорог. В частности, разработанные на их основе ОДН 218.046-01 «Проектирование дорожных одежд нежесткого типа»
[3] содержат ряд ограничительных по отношению к конструкциям и режиму эксплуатации лесовозных дорог положений и норм:
- во всех случаях для оценки напряженного состояния конструкции используют решения теории упругости (п.1.4);
- применение дорожных одежд с покрытием из обработанных вяжущим или необработанных малопрочных материалов на песчаном, гравийном и щебеночном основании, или на основании из укрепленного грунта допускается только в IV и V климатических зонах при интенсивности движения не более 100 авт/сут с нагрузкой на ось не более 70 кН (п.2.33);
- производство расчетов дорожных одежд переходного и низшего типа по упругому прогибу на воздействие АТС со статическими нагрузками свыше 120 кН на ось методикой не предусматривается (п.3.14).
Учитывая, что все лесовозные дороги в Архангельской области (II2 ДКЗ) строятся с покрытиями низшего или переходного типа, а парк лесовозных автопоездов включает почти 50% тяжеловесных импортных АТС с осевыми нагрузками 120-130 кН, использование ОДН 218.046-01 для проектирования нежестких дорожных одежд лесовозных дорог не представляется возможным.
Расчетные схемы и теоретические обоснования методов расчета нежестких дорожных одежд можно разделить на несколько групп:
1) расчетные схемы, основанные на допущении о равномерном распределении напряжений в дорожной конструкции под постоянным углом, образующим конус распределения давления;
2) расчетные схемы, основанные на теоретическом решении задачи Бус-синеска о распределении напряжений в упругом изотропном полупространстве от действия сосредоточенной силы;
3) расчетные схемы, основанные на теоретическом решении задачи Бус-синеска для упругого полупространства, но учитывающем с помощью эмпирических коэффициентов изменение жесткости слоев по глубине;
4) расчетные схемы, основанные на теоретических решениях задачи Бус-синеска для слоистого упругого полупространства.
Очевидно, что расчетные схемы 2)...4) используют в различных модификациях известное решение Ж. Буссинеска (1885 г.) задачи для упругого изотропного полупространства, нагруженного приложенной к поверхности сосредоточенной нагрузкой. Свойства материала полупространства строго отвечают постулатам закона Гука. Напряженно-деформированное состояние в каждой точке полупространства определяется решением бигармонического уравнения в частных производных относительно неизвестной функции 0(r,z):
V4 0(r,z) = 0,
где V4 — бигармонический оператор Лапласа в цилиндрических координатах r и z.
В дальнейшем это решение было перенесено на слоистую систему (Д. Бурмистер, Р.М. Раппопорт и др.) и адаптировано к расчетам дорожных одежд (Б.И. Коган, М.Б. Корсунский и др.), к поверхности которых приложена равномерно распределенная по площади круга (эллипса) нагрузка от колеса расчетного АТС. Каждый слой системы характеризуется определенной,
постоянной в рассматриваемых пределах толщиной, своим модулем упругости и коэффициентом поперечного расширения. Контакт между слоями принимают непрерывным, как правило сцепленным, редко - скользящим. Слой покрытия за пределами площадки нагружения не испытывает нормальных и срезывающих напряжений. Решение задачи определения напряжений и перемещений точек слоев реализуется методом интегральных преобразований Фурье-Бесселя.
Принятые в расчетных схемах 2)...4) предпосылки и теоретические допущения не соответствуют модели и режиму работы дорожных одежд лесовозных автодорог переходного и низшего типов: на это обстоятельство неоднократно указывали исследователи ЦНИИМЭ, в частности [1,4,5]. В свою очередь, они предлагали при проектировании указанных дорожных одежд принимать более адекватную расчетную схему 1), а также использовать в расчетах средства математического аппарата классической механики зернистых сред, адаптированного для конструкций автомобильных дорог [6,7].
Примечательно, что при таком подходе нет противоречия условию работы на растяжение нижней зоны слоев из дискретных (зернистых) материалов. Этот метод апробировался в течение нескольких десятилетий, он позволяет производить расчеты дорожных одежд для АТС с нагрузками на ось свыше 120 кН и, очевидно, может применяться для проектирования лесовозных автодорог.
Список использованных источников
1. Трубачев Л.Н. Взаимодействие гравийных дорожных одежд с тяжелыми лесовозными автопоездами [Текст] / Л.Н. Трубачев. Дисс. канд. техн. наук.- Химки: ЦНИИМЭ, 1984. - 241 с.
2. Кочетков А.В. Состояние современного методического обеспечения расчета и конструирования дорожных одежд [Текст] / А.В. Кочетков, Н. Е. Кокодеева, П.Б. Рапопорт, Н.В. Рапопорт, И.Г. Шашков // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. -2011. - № 1. - С. 65-74.
3. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд [Текст]. - М: ФГУП «СоюздорНИИ», 2001. - 146 с.
4. Фаденков А.А. К расчету прочности лесовозных гравийных дорог [Текст] / А.А. Фаденков // Труды ЦНИИМЭ, вып.126. - Химки: ОНТИ ЦНИИМЭ, 1972. - С. 37-40.
5. Котляр В.И. Воздействие одинарного и сдвоенного колеса на конструкцию лесовозной дороги с гравийным покрытием [Текст] / В.И. Котляр, Л.Н. Трубачев // Труды ЦНИИМЭ, вып.142. - М.: 1982. - С. 109-115.
6. Радовский Б.С. О напряжениях в зернистой среде при нагрузке, равномерно распределенной по площади круга [Текст] /Б.С. Радовский // Известия АН Армянской ССР, сер. физ.-мат. наук, т. XVIII, №6, 1965.- С.28-34.
7. Теренецкий К.С. Расчет нежестких дорожных одежд как дискретной среды [Текст] / К.С. Теренецкий. Материалы всесоюзной межвузовской научно-техн. конференции по прочности дорожных одежд. - X.: 1968. - С. 34-39.
